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智能技术:高含硫气田安全的“守护神”(图)

2023/1/31   关键字:   来源:[互联网]
  中原油田等5家单位联合攻关,形成“泄漏监测、风险控制、应急处置、智能预警”核心成果,打造世界高酸性天然气安全生产技术新标杆
  [中国石化新闻网2023-01-30]
  普光气田大湾403集气站。
  普光气田泄漏应急处置流程示意图
  技术人员正在对自降解暂堵热敏凝胶药剂进行孔隙评价。
  2022年“十条龙”出龙项目专题报道
  中原油田普光气田是我国成功开发最早、硫化氢含量最高、安全管控要求最严、安全平稳生产时间最长的海相整装气田,经过十余年高效开发后,井控难度增大、地质灾害频发、设备设施老化……亟须一系列对策守住安全底线。中原油田、安全工程研究院等5家单位用时3年联合攻关,形成了以“泄漏监测、风险控制、应急处置、智能预警”为核心的4项技术成果,首创高酸性气田钻井、作业、集输、净化全流程、全要素的智能化安全管控关键技术体系,打造了世界高酸性天然气安全生产技术新标杆。
  □杨敏
  四川省达州市,凌冬,清晨。一栋栋居民楼逐渐亮起暖黄灯光,如流萤点点。人们起床、洗漱、做早餐……在烟火气中,开启忙碌的一天。
  保证长江沿线6省80余个城市数千家企业及近2亿居民用气需求的,主要是普光气田。
  “气田日产气量最高达2700万立方米,可同时满足5000万户居民一天的用气需求。”中原油田普光气田相关负责人表示。
  普光气田是我国成功开发的首个特大型高含硫气田,已安全平稳生产10余年,累计产气超千亿立方米。但是,随着开发深入,普光气田长周期安全生产面临新的严峻挑战。
  硫化氢无色、易燃,低浓度时带有臭鸡蛋味,浓度高时反而“悄无声息”。当浓度达到1000ppm(百万分之一)时足以使人瞬间毙命,而普光气田产出的天然气中硫化氢浓度高达15000ppm以上,是“死亡线”的15倍,任何微小泄漏都承受不起。
  “现实不容乐观——随着气田开发深入,地质灾害频发、井控难度增大、设备设施老化,泄漏风险增大……”中原油田普光分公司生产管理部经理冯逍说。
  为确保普光气田长周期安全生产,针对安全生产中存在的新情况、新问题开展研究攻关,已刻不容缓。
  2020年,“高酸性气田长周期安全生产关键技术研究与应用”技术项目作为集团公司“十条龙”项目开展攻关。
  中原油田、安全工程研究院等5家单位的160余名技术人员耗时3年联合攻关,完成室内试验1174次、绘制图纸680张……最终攻关形成了以“泄漏监测、风险控制、应急处置、智能预警”为核心的4项技术成果,首创高酸性气田钻井、作业、集输、净化全流程、全要素的智能化安全管控关键技术体系,打造了世界高酸性天然气安全生产技术新标杆。
  普光气田所有较大及以上等级风险均实现降级,研发的装备和技术已在现场部署应用,准确性和可靠性得到充分验证,形成的技术成果进一步筑牢了安全生产基石,继续保持普光气田安全管控国际领先水平。
  “项目的成功研发与应用,形成了可复制可推广的普光安全管控技术,完善了我国高含硫气田标准体系,树立了安全风险防控技术新标杆,为实现普光气田第二个1000亿立方米奋斗目标奠定了坚实技术基础。”集团公司高级专家朱德华介绍。
  泄漏监测
  为气田安上全覆盖“鹰眼”
  技术人员针对普光气田硫化氢泄漏发现不及时、定位难等问题,创新研发点线面结合的硫化氢泄漏精准监测技术,构建了点面结合与覆盖率布局优化的泄漏监测新体系,开发了泄漏监测溯源定位新模型,大幅提高了泄漏监测整体覆盖率,实现了气田泄漏全方位精准监测的技术突破。
  1月5日,普光分公司采气厂301集气站内,站长杨永欣像往常一样,正专心致志地使用新型监测设备进行硫化氢泄漏监测。
  “仅301集气站,就安装了18套硫化氢泄漏新型监测设备,形成了多源融合的微泄漏监测系统,平均响应时间缩短76%,泄漏监测有效性大幅提高。”杨永欣说。
  普光气田地形复杂、沟壑纵横、人口密集,集输系统共有4条干线、3条支线、30座集气站场、51座阀室,酸气管道总里程近100公里,穿山跨河33处,隧道17处,现有检测仪难以识别量小的逸散性泄漏,且无法快速准确溯源。
  安全工程研究院油气田安全研究室主任靳彦欣表示:“我们最终想要实现的目标,就是做到精准监测硫化氢泄漏——全天候全覆盖‘及小、及早、及全’。”
  针对普光气田硫化氢泄漏发现不及时、定位难等问题,技术人员创新研制了两类泄漏监测新设备,构建了点面结合与覆盖率布局优化的泄漏监测新体系,开发了泄漏监测溯源定位新模型,大幅提高了监测整体覆盖率,实现了气田泄漏全方位精准监测的技术突破。
  要想“及小、及早、及全”,监测设备成为关键,技术人员从灵敏度着手,自主研制高灵敏纳米结构半导体材料MEMS传感芯片,构建了智能识别与补偿算法,研发了便携式和固定式硫化氢监测设备,响应速度较常规设备提升6至12倍,实现了微量硫化氢泄漏的高灵敏度监测。
  “点式高灵敏度硫化氢快速监测设备只需要5秒就可识别等效泄漏量为1.25毫升/分的微小泄漏,一旦硫化氢出现泄漏,纵使量小,监测设备也能‘一触即发’。”安全工程研究院博士王浩志难掩激动。
  与此同时,技术人员考虑普光气田高湿多雾环境特点,研制新型的可燃气体复合探测设备,创新开发智能识别技术,具备速度快、距离远、精度高等优点,甚至可以在相对湿度高达99%的环境下快速准确识别气体泄漏。
  技术人员一鼓作气,气体泄漏监测组合布局优化技术、气体泄漏溯源定位技术(包括站场泄漏源定位技术、集输管道泄漏监测定位技术)应运而生,实现了普光气田泄漏监测覆盖率的大幅提升。
  “有了这些新技术,就好像给气田装上‘鹰眼’,时刻监控着气田安全运行!”靳彦欣说。
  风险控制
  为气田全流程穿上“防弹衣”
  针对因地层压力变化、设备和管道长期服役导致的泄漏风险,技术人员创新开发硫化氢泄漏风险控制关键技术,消除气田生产运行中存在的重大隐患,实现风险全面降级,进一步筑牢了气田全流程本质安全基石。
  防为上,救次之,戒为下。
  “确保气田安全生产,必须以预防为主。”中原油田石油工程技术研究院副院长张诚说,“与其发生危险了再去治理,不如加强风险控制,将危险消灭在萌芽状态。”
  针对普光气田因地层压力变化、设备和管道长期服役导致的泄漏风险,技术人员创新开发气井作业、集输管网和净化装置风险治理关键技术,旨在消除气田生产运行中存在的重大隐患,实现风险全面降级,进一步夯实气田全流程本质安全基石。
  “整个普光气田的生产运行可以分为三步,第一步是将地下高含硫天然气采集到地面,第二步是将高含硫天然气集中运输至净化装置,第三步是将高含硫天然气转化为纯净天然气,我们要做的,就是想方设法为这三步作业全流程穿上‘防弹衣’。”中原油田测井方法与工艺专家徐菲说。
  以集输管网为例,一条条满含高含硫天然气的管道蜿蜒镶嵌在大巴山间。石油工程设计有限公司首席专家田京山表示,集输管道穿山、跨河是家常便饭,易因腐蚀和应力等因素导致管道破裂、硫化氢泄漏,造成严重危害。
  对此,技术人员开展积液形成过程与携液的动态描述研究,掌握不同管道形态下各种流速的积液情况,有针对性地优化调整生产策略,避免积液存在,大大减缓管道腐蚀。
  最终,技术人员将管道系统压降预测误差控制在6%以下,优化了工艺变化后各管道临界携液流速,提升了集输管网工艺设计和运行效能,积液腐蚀得到有效控制。
  四川盆地山地落差巨大、地震灾害频发,加之气候高湿多雨,地质灾害对集输管网的伤害不容小觑。
  没有经验,技术人员就从零开始,创新开发了地质灾害条件下埋地管道载荷计算方法,形成了复杂山地地质灾害风险评价标准,建立了三维土体和管-土相互作用仿真计算模型,研发了基于地灾体形变的管道应力分析软件,建立了滑坡分级主被动双重治理体系,实现了基于管土耦合作用的地质灾害风险防护。
  “相当于将地质灾害分区网格化了,精确划分各区域危险等级,做到‘把脉问诊’。”田京山说。
  如今,谈及普光气田面临的种种风险,工作人员不再谈虎色变,因为硫化氢泄漏风险控制关键技术成为他们的底气。
  应急处置
  给气田安稳运行吃下“定心丸”
  针对复杂山地环境下极端泄漏场景应急处置需求,技术人员创新研究极端场景硫化氢泄漏应急处置关键技术与装备,构建了站场、阀室、管道应急联锁关断架构,首创受限空间、集气站场、净化装置捕洗消一体化处置技术,全面提升了气田的泄漏应急处置水平。
  “做最坏的打算,尽最大的努力。我们不得不考虑,一旦气田出现重大灾害事件等极端情况,如何能将损失降至最低。”普光分公司应急救援中心副经理邵志勇介绍,“气田面临的问题与挑战远比想象更大。”
  硫化氢泄漏处置过程中的侦检、避险人员生命保障能力是否过硬?复杂山地跨越、隧道、站场、阀室和装置硫化氢泄漏时,是否具备高效、快速的应急处置与保障装备?检修装置安全隔离距离不足,缺少有效的风险消减技术,检修人员应急疏散时间不足等问题该如何解决?
  针对复杂山地环境下极端泄漏场景应急处置需求,技术人员自主研制了移动式庇护所及智能哨兵侦查装备,首创受限空间、集气站场、净化装置捕洗消一体化处置技术,全面提升了气田的泄漏应急处置水平。
  以往,一旦出现应急处置需求,救援人员身背正压式空气呼吸器进入现场,通过人眼侦查现场状况,然后利用对讲机向后方传输环境参数、人员伤亡等现场各类数据。
  “令人‘头大’!先不说救援人员任务在身,分身乏术,无法实时向后方传输各类数据,救援人员生命体征、所戴正压式空气呼吸器等状态都无法跟踪掌握。”普光分公司应急救援中心119调度室员工杨智说。
  对此,技术人员自主研发了智能个体防护设备及后台指挥系统,拥有集成高、重量轻、抗干扰、本安防爆等特点,具备高浓度硫化氢泄漏环境下的现场综合信息采集、传输、处理、交互及AR(增强现实)显示等功能,实现了复杂状况下泄漏快速准确判定、现场紧急处置、人员及时救助。
  这还远远不够,技术人员又将目光转向硫化氢泄漏应急“捕、洗、消”。
  “解决问题就要有针对性,将任何场景下泄漏的硫化氢气体紧急快速高效消除,不让其扩散,才是‘王道’。”邵志勇表示。
  基于微液滴与薄液膜耦合作用机理、气剂流动与传质强化机制,技术人员创新研制了大通量硫化氢高效洗消方法及橇装式装备——受限空间硫化氢泄漏大通量洗消装备,将气体清除率一跃提升至99%,出口浓度小于1ppm,解决了隧道、阀室等受限空间泄漏硫化氢无法快速清除的难题。
  之后,技术人员乘胜追击,研发了干粉型硫化氢泄漏自动捕消装备——基于界面反应原理与颗粒-流体两相流作用机制,开发了粉基硫化氢捕消剂,研制了移动式硫化氢自动捕消装备,形成了硫化氢泄漏的自动响应和一体化处置技术,实现了污水场站及积液区域硫化氢泄漏捕消;研发了净化装置硫化氢泄漏自动喷淋捕消技术——建立了“隔离+喷淋”的泄漏扩散耦合阻消模型,优选了两相雾化喷嘴组合与环保高效的捕消药剂,研制了硫化氢自动喷淋捕消装置,首次开展高浓度硫化氢露天扩散喷淋阻消试验,形成了多重隔离、深度捕消、联动处置的一体化检修安全防护技术,为现场人员应急疏散提供了又一层保障。
  “一项项极端场景硫化氢泄漏应急处置关键技术与装备的诞生,给气田安全平稳运行吃下‘定心丸’。”邵志勇感叹。
  智能预警
  打造气田
  万物互联“智能大脑”
  技术人员着眼于安全生产风险智能预警与分级管控,开发智能预警与管控平台,解析生产流程典型风险场景关键风险参数,构建多源感知数据跨域动态耦合方法,研发风险实时量化表征模型,建立分级预警与联动管控机制,实现了气田风险全方位、系统化监测与闭环管控。
  “前不久,在普光气田成功部署应用的安全生产风险智能预警与管控平台有过一次风险预警。当时,平台突然报警显示普光103-2井井口压力超压,系统判定为较大风险。”普光分公司生产管理部工作人员徐菲说。
  平台自动向相关责任人推送消息,5分钟内责任人完成核查,原来是这口井连续油管冲洗作业所致,仅用时8分钟,系统恢复正常,平台自动消警。
  “感知-报警-处理-消警,安全生产风险智能预警与管控平台的操作行云流水,如同一个万物互联的大脑。”徐菲感叹。
  普光气田生产运行事务繁多,如何融合多源数据,实现气田安全风险的动态预警与智能管控,成为摆在技术人员面前的新挑战。
  “气田以单一阈值超限报警为主,难以实现综合的安全风险动态量化表征,加之原有应用系统众多、接口繁杂、数据异构,未充分发挥集成增效作用。”中原油田生产运行专家周玉超表示,“气田亟须利用智能化手段健全安全生产风险分级预警及指挥机制。”
  技术人员迎难而上,研发构建形成安全生产风险智能预警与管控平台。该平台拥有数据监测、风险研判、风险展示、分级预警与推送、限时消警管控、应急资源分布六大功能,可为不同层级人员提供分级预警、管控指引与过程监控,实现了气田全流程、全要素安全风险智能识别与闭环管控,使任何风险隐患看得见、管得住、可追溯。
  “至此,普光气田被置于‘指尖’。工作人员只需轻触鼠标与键盘,整个普光气田运行情况便可显现眼前。”周玉超介绍,“截至目前,该平台已在普光气田、中国石化安全工程研究院等部署应用,成为国家危化品安全生产风险监测预警系统的重要组成部分。”